BAU2

BIOMEDICINSKI APARATI I UREĐAJI Hanodut 2 - 2012/2013

1

OOPPŠŠTTEE OO FFIILLTTRRAACCIIJJII

Separacija je proces razdvajanja jedne vrste supstance od druge. Postoji više načina i postupaka za vršenje

separacije. Jedan od najjednostavnijih je sedimentacija i za njeno odvijanje nije potrebna nikakva oprema, niti je

potrebna dodatna energija. Pokretačka sila u procesu sedimentacije je sila teže.

Filtracija je proces razdvajanja jedne vrste supstance od druge uz pomod nekog medijuma. Filtracija može biti:

- fizička - primenom fizičkih izvora

- hemijska - doziranjem hemikalija

- biološka - doziranjem živih organizama.

Fizička filtracija može biti:

- mehanička - kod koje se uz pomod nekog medijuma vrši razdvajanje jedne vrste supstance od druge tako

što se jedna od supstanci zadržava na povšini ili unutar filterskog medija

- električna - uz pomod električnih izvora

- magnetna - uz pomod magnetnih izvora.

Filtracija se može podeliti na:

- prostornu

- procesnu.

Generalno govoredi, procesnom filtracijom mogu se rešiti procesi razdvajanja:

- solida od tečnosti

- solida od gasova

- tečnosti od gasova

- tečnosti od tečnosti.

MMEEHHAANNIIZZMMII FFIILLTTAACCIIJJEE

Razlikuju se slededi mehanizmi filtracije:

1. Inercijalni udar

2. Difuziono presretanje

3. Direktno presretanje.

1. Kod inercijalnog udara čestice medija koji se filtraira mogu biti zadžane na

filterskom materijalu (filteru) zbog njihovog kretanja po inerciji. Čestice u fluidnom

toku poseduju masu m i odredjenu brzinu V. Zbog količine kretanja koju poseduju

te čestice teže da se kredu po strujnoj liniji i kao rezultat toga mogu biti zadržane

na filterskom materijalu na onom mestu koje se nalazi na ili u blizini centra strujne

linije.

2. Male suspendovane čestice koje se nalaze u medijumu koji se filtrira mogu vršiti

određeno nepravilno kretanje u odnosu na strujnu liniju poznato kao Braunovo

kretanje. Kao posledica takvog kretanja moze dodi do zaustavljanja tih čestica na

filterskom medijumu, što se naziva difuzioni kontakt. Ovakav mehanizam filtracije

ima minornu ulogu u filtraciji tečnosti, ali značajnu ulogu u filtraciji gasova.


2

3. Za razliku od inercijalnog udara i difuzionog kontakta koji nisu tako značajni u

filtraciji tečnosti, mehanizam direktog kontakta podjednako je prisutan i u slučaju

filtracije tečnog i gasovitog medjuma. Ako su dimenzije čestica u fluidu vede od

dimenzija pore filterskog medijuma, one de biti zadržane na njemu pri direktnom

kontaktu.

PPOODDRRŠŠKKAA FFIILLTTRRAACCIIJJII TTEEČČNNOOSSTTII

Postoji više načina za pospeši efekat filtracije.

To se moze postidi naelektrisavanjem filterskog medija naelektrisanjem koje je suprotno od naelekrtisanja čestice

koje treba izdvojiti iz tečnosti.

Na 3.000 puta uvedanom mikroskopskom snimku vide

se čestice veličine 0,5μm zadržane na filteru sa

pozitivnim zeta potencijalom.

FIltracioni proces se može pospešiti, odnosno

efikasnije realizovati, korišdenjem pogodnih

mehanizama koji treba da olakšaju proces filtracije.

Primer takvog uređaja dat je na slici.

- Fokusira energiju na površinu membrane

- Oscilacije sprečavaju akumuliranje čestica na

površini membrane

- 5 - 10 puta vedi efekat regeneracije membrane

nego kod klasične tangencijalne filtracije

TTIIPPOOVVII FFIILLTTEERRAA

Filteri se mogu klasifikovati prema stabilnosti matrice na:

1. filtere sa nestabilnom matricom

2. filteri sa stabilnom matricom.


3

1. Ovakvi filteri prave se od filtracionog materijala koji poseduje značajnu sposobnost zadržavanja čestica iz

medijuma koji se filtrira. Kako matrica (osnovna struktura) ovakvih materijala nije stabilna, njegove čestice

mogu se nadi u profiltriranom medijumu. Od ovakvog materijala prave se filteri za predfiltraciju i veoma retko

za završnu filtraciju. Primeri prirodnog filtracionog materijala sa nestabilnom matricom su: kizelgur

(Kieselguhr, DE Diatomaceous Earth), zeolit. Kao ilustracija na slici prikazano je prisustvo čestica kizelgura u

medijumu koji je njime filtriran.

2. Kod ovakvih filtera veličina pora se ne menja pri različitim parametrima filtracije.

Filteri se mogu podeliti i na:

- dubinske

- membranske

- kombinovane.

Dubinski filteri poseduju veliki kapacitet zaprljanja i vrlo

često poseduju nekoliko sekcija koje su raspoređene od

onih koje imaju vede pore do onih sa manjom veličinom

pora. Koriste se kao predfilteri i ređe kao zavrsni filteri u

slucaju manje kritičnih primena.

Membarnski filteri su veoma male debljine.

Omogudavaju veoma efikasnu filtraciju i koriste se

najcešde kao završni filteri u slučaju kritičnih primena

Kombinovani filteri predstavljaju kombinaciju više

različitih membranskih filtera ili dubinskog i

membranskog filtera. Često predstavljaju uspešno i

efikasno rešenje za predfiltraciju i filtraciju na jednom

mestu.

Filteri se dele i prema prirodi medijuma koji filtriraju na filtere za:

- tečnosti

- gasove.


4

Filteri se mogu podeliti i na:

- hidrofilne - imaju afiniteta prema vodi

- hidrofobne - odbijaju vodu. Hidrofobni filteri se koriste za filtraciju gasova i kod njih je dominantno

haotično, Braunovo kretanje čestica.

Prema efektu dejstva filteri se mogu podeliti na:

1. čestične

2. mikrobiološke

3. sterilne

1. Za uklanjanje samo čestica koriste se filteri koji se nazivaju obični ili čestični. Ovakvi filterski elementi mogu biti

različitog stepena zadržavanja i koriste se uglavnom za predfiltraciju.

2. Za uklanjanje mikroorganizama mogu se koristiti mikrobiološki i sterilni filteri. Ova dva tipa filtera mogu se

definisati na osnovu stepena zadržavanja bakterija Brevundimonas (Pseudomonas) Deminuta. Kada filterski

medijum zadržava ≥107

CFU (Colony Forming Units) po jednom filterskom elementu od 254 mm, a daje

mikrobiološki ispravan efluent (filtrat), reč je o mikrobiološkom filteru.

3. Kada filterski medijum zadržava ≥107

CFU po jednom cm2 filterskog elementa od 254 mm, a daje sterilan

efluent (filtrat), reč je o sterilnom filteru.

Mikrobiološki i sterilni filteri vrše redukciju mikrobiološkog opteredenja zbog čega se mogu nazvati bioburden

filteri.

Kada su u pitanju filteri za gasove, pored prethodnih filtera kod kojih se fluidna struja krede od spoljašnje strane

cilindričnog tela, upravno na osu filtera, kroz telo filtera ka njegovoj unutrašnjosti, postoje i koelescentni filteri.

Smer kretanja gasova koji se filtriraju je od unutrašnjosti tela filtera, upravno na osu filtera, ka spoljašnjosti filtera.

Mehanizam rada ovih filtera sastoji se u ukrupnjavanju malih, tečnih čestica aerosola u vede unutar filterskog

materijala i njihovom odstranjivanju pomodu gravitacije. Vazduh u koalescentni filterski element, za razliku od

čestičnih, ulazi sa unutrašnje strane.


5

Za uklanjanje para i mirisa u vazduhu pod pritiskom koriste se apsorpcioni filteri. Filterski medijum ovakvih filtera

je obično aktivni ugalj koji je u stanju da apsorbuje hidrokarbonske aerosole i pare.

Važni su slededi tehničko-tehnološki elementi filtera sa aktivnim ugljem:

- vrsta aktivacije

- uticaj aktivacije na kompatibilnost sa medijumom sa kojim taj filter interaguje

- toksičnost aktivnog uglja i toksičnost nakon aktivacije

- potreba uklanjanja čestica nakon filtracije sa ovim filterima.

SSTTEEPPEENN ZZAADDRRŽŽAAVVAANNJJAA ((RRRR))

Bitna karakteristika filtera je njegov stepan zadržavanja. Razlikuju se slededi stepeni zadržavanja:

nominalni - proizvoljna vrednost u mikronima (1 mikron = 103 mm = 10

-6 m) koju je propsao proizvođač,

bazirana na uklanjanju svih čestica zadate veličine ili vedih

apsolutni - prečnik najmanje čestice koja de biti zadržana na filteru.

Pored apsolutnog koji je češde korišden nego nominalni, stepen zadržavanja filterskog elementa može se određivati

i pomodu faktora β. Mada je izvorno bio razvijen za hidraulična ulja i ulja za podmazivanje, ovaj način definisanja

sposobnosti zadržavanja filterskih elemenata adaptiran je i za slučajeve filtracije drugih fluida. Beta vrednosti su

prvobitno utvrđene na Oklahoma državnom institutu i poznate su pod nazivom „OSU F-2 Filterski Test“.

Stepen zadržavanja preko koeficijenta β (stepen filtracije) definiše se preko broja čestica određene veličine (x) u

sirovom fluidu (Sx) i broja čestica iste veličine (x) u filtriranom fluidu (filtratu) (Fx), tj.

1

x xS F .

Primera radi, ako se u sirovom fluidu nalazi 200 čestica veličine 1 μm, a nakon filtracije se izmeri 100 čestica iste

veličine u filtratu, tada je faktor β1 = 2.

Koristedi β faktor može se izračunati i efikasnost zadržavanja, u procentima, na slededi način:

1(1 )100R 0.

Odnos između faktora β i efikasnosti zadržavanja R dat je u tabeli.


6

beta = Sx / Fx R

1 Fx = Sx · 100 0

10 Fx = Sx · 101 90

100 Fx = Sx · 102 99

1,000 Fx = Sx · 103 99,9

10,000 Fx = Sx · 104 99,99

100,000 Fx = Sx · 105 99,999

Apsolutnom filteru odgovara vrednost faktora β = 5.000.

TTiittaarr ((TTiitteerr))

Za definisanje redukcije biološkog opteredenja koristi se veličina koja se naziva „titar“ i koja je određena sa:

R

broj organizama na ulazuT

broj organizama na izlazu.

DDiiffeerreenncciijjaallnnii pprriittiissaakk

Predstavlja ukupan pad pritiska u sklopu koji čine kudište, medijum koji se filtrira i filter.

TTIIPPOOVVII FFIILLTTRRAACCIIOONNIIHH PPRROOCCEESSAA

Filtracioni procesi se mogu izvoditi na dva načina:

filtracija koja se odvija u pravcu upravnom na ravan membrane – dead-end

filtracija koja se odvija pri toku fluida koji je paralelan sa ravni mambrane – cross-flow


7

KKLLAASSIIFFIIKKAACCIIJJAA FFIILLTTRRAACCIIOONNIIHH PPRROOCCEESSAA

Postoji više klasifikacija filtracionih procesa. Sa razvojem filtracionih postupaka nastajale su nove klase filtracionih

procesa i pomerane su granice postojedih. Tako su 60-tih godine prošlog veka filtracioni procesi bili podeljeni na:

opštu filtraciju (10 - 1000 mikrona)

mikrofiltraciju (0,1 - 10 mikrona)

ultrafiltraciju (0,001 - 0,1 mikron)

reverznu osmozu (<0,001 mikron).

Novija klasifikacija filtracionih procesa glasi:

Makrofiltarcija predstavlja izdvajanje čestica iz fluida vedih od 1 mikona.

Za ovu svrhu koriste se slededi tipovi filltera:

- filter sita - zadržavaju cestice na površini čime se na njima stvara filtraciona pogača, što se može ukloniti

mehanički i povratnim pranjem

- dubinski filteri sa stalnom unutrašnjom geometrijom

- dubinski filteri sa promenjivom unutrašnjom geometrijom - medija filteri sačinjeni od nasutih čestica

(pesak, antracit). Moguda regeneracija produvavanjem i fluidizacijom čestica.

Mikrofiltracija - izdvajaju se čestice veličine aproksimativno od 0,1 do 1 mikrona. Membarne za mikrofiltraciju

su brana za suspendovane čestice i velike koloide, ali ne i za rastvore. Koriste se za skidanje mutnode,

uklanjanje bakterija, kao i etapa u tretmanu otpadnih voda itd.

Ultarfiltracija - postupak makromolekularne separacije čestica čija je veličina u rastvoru 0,002 - 0,1 mikrona

(20 - 1000 Angstr ili 2 - 100 nm). Najveci broj ultrafiltracija ima MWCO (Molecular Weight Cut-Off) od 1.000 do

100.000.

Ultrafiltracija se koristi:

- za uklanjanje proteina, pirogena, virusa, koloida

- kao predtretman i naknadni tretman kod drugih procesa pripreme vode

- u farmaceutskoj industriji

- u prehrambenoj industriji.

Nanofiltracija - specijalan membranski proces pomodu koga se mogu zadržavati čestice veličine oko 0,001

mikrona (1 nm).

Tu spadaju organski molekuli sa molekularnom težinom vedom od 200-400. Nanofiltracijom se mogu ukloniti

rastvorene soli u opsegu 20-98%. Soli sa monovalentnim anjonima (NaCl, CaCl2) mogu biti zadržane u opsegu

20-80%, a soli sa divalentnim anjonima (MgSO4, CaCO3,...) mogu biti uklonjene u opsegu 90-98%.

Nanofiltracija se koristi:

- za redukciju totalnog ugljenika

- za parcijalnu deminerilizaciju

- za tretman voda za pide

- za redukciju ukupnih rastvorenih soli

- u pripremi voda za pide.

Membrane za nanofiltraciju prave se u obliku ravnih listova ili supljih vlakana. U slučaju kada su izrađene od

asimetričnih polimera poseduju tanak filtracioni sloj sa jedne strane. Kompozitne membrane mogu biti

izrađene od ultratankog filma od poliamida na osnovi polisulfona.

Hiperfiltracija (ReverSna osmoza) - molekularni, separacioni proces koji se koristi za purifikaciju tečnosti i

desalinaciju.


8

Ovaj način membranske filtracije koristi se posebno u slučaju velike mutnode i velikog SDI. Membrane RO

su barijera za sve rastvorene soli i neorganske molekule čija je molekularna težina veda od približno 100.

Opseg zadržavanja rastvorenih soli je tipično 95 do 99,8%.

Tipovi filtracionih procesa i stepeni zadržavanja mogu se prikazati u slededoj tabeli.

Sa razvojem tehnika i tehnologija dolazi do pojave novih filtracionih procesa što se ogleda u novoj klasifikaciji

diferenciranja i daljim usavršavanjem postojedih.

Ovaj način membranske filtracije koristi se posebno u slučaju velike mutnode i velikog SDI. Membrane RO su

barijera za sve rastvorene soli i neorganske molekule čija je molekularna težina veda od priblizžno 100. Opseg

zadržavanja rastvorenih soli je tipicno 95 do 99,8%.

RO se koristi:

- za dejonizaciju vode

- za farmaceutsku vodu

- za vode za kotlove

- kao predtretman i finalni tretman kod drugih procesa pripreme vode

- za pripremu vode za CPI

- za proizvodnju vode u prehrambenoj industriji

- za vodu u mikroelektronskoj industriji.


9

Prednosti nano i hiperfiltracionih membranskih sistema:

- kompaktan modularni dizajn koji zahteva malo prostora

- komforno rukovanje i održavanje koje ne zahteva dodavanje supstanci za tretman medijuma

- stabilnost izlaznih rezultata tretiranog medijuma

- visoka efikasnost računata po jedinici zapremine

- nizak utrosak energije i mali operativni pritisak

- visok stepen zadržavanja koji se krede u opsegu 70-95% mogudnost kontrole izlaznih parametara

(konduktimetar)

- uklanjanje bakterija.

Za konačnu analizu parametara kvaliteta tretiranog medijuma treba zapaziti da su navedeni stepeni zadžavanja

veoma visoki, što se odnosi i na zadržavanje bakterija, ali ne i 100%. To je posebno važno kod mikrobiološke

kontaminacije. Ako je ulazno mikrobiološko opteredenje veliko, ta razlika između 100% i procenta zadržavanja

bakterija može dati negativnu mikrobiološku sliku. U tim slučajevima je potrebno učiniti još jedan dodatni

filtaracioni korak pre ili posle RO.

Da bi se dobio dovoljno nizak sadržaj rastvorljivih materija u vodi, nakon RO može se primeniti:

- membranska destilacija (destilacija kroz hidrofobnu filtracionu membranu)

- dvostruka reversna osmoza.

Dizajniranje filtracionog sistema za tretman voda podrazumeva detaljno definisanje svih početnih, radnih

(ekspoloatacionih) i krajnjih uslova tretmana. Poseban prblem u tretmanu voda je tačno definisanje početnih

uslova zbog alidnosti zadatih podataka i mogudnosti menjanja pojedinih parametara u određenim intervalima

vremena. Poznato je da se sastav sirove vode može menjati zavisno od doba godine, ali i od hidr-geološke situacije.

U takvom slučaju se sastav vode prati u jednom dužem periodu.

Pored radiološke, fizičko-hemijske, mikrobiološke analize, analize koncentracije hemijskih supstanci, specifične

analize prisutnih jona, analiza vode treba da sadrži i podatke o:

- TDS – Total Disolved Solids

- TSS – Total Suspended Solids

- TOC – Total Oxygen Comsuption

- BOD – Biological Oxygen Demand

- COD – Chemical Oxygen Demand

- SDI – Silt Density Index.

omski

Primera radi, provera indeksa zamuljenosti (SDI) vrši se pomodu uređaja koji se sastoji iz rezervoara za sirovu vodu,

filterskog uređaja za disk filter prečnika 47 mm i stepena zadržavanja 0.45 mikrona i posude za skupljanje

profiltrirane vode kao što je prikazano na slici.

Potiskujudi vodu pritiskom od 2 bara mere se vremena potrebna da se

profiltrira 500 ml i to:

To – vreme potrebno da se profiltrira prvih 500 ml vode

T15 – vreme potrebno da se profiltrira narednih 500 ml mereno nakon

15 minuta.

Tada se indeks zamuljenosti određuje na slededi način

0

1

15

100(1 )

15

TS

T


10

Ako je SI > 6 voda zahteva ozbiljan tretman; SI = 3-6 voda zahteva predfiltraciju i filtraciju, a kada je SI = 1-3

dovoljna je samo završna filtracija.

PPRROOVVEERRAA IINNTTEEGGRRIITTEETTAA MMEEMMBBRRAANNSSKKIIHH FFIILLTTEERRAA

Zivotni vek je vreme koje protekne od pocetka njegovog korišdenja do trenutka narušavnja njegovog integriteta.

Provera integriteta mambranskih filtera može se vršiti na više načina.

Posle svakog procesa filtracije (posle svake šarže) vrši se sterilizacija filterskih elemenata. Provera integriteta filtera

vrši se posle sterilizacije. Najčešde primenjivane metode za ispitivanje integriteta filterskih membrana su:

- Bubble Point

- Forward Flow Test sa prethodnim kvašenjem membrane sa izopropil alkoholom

- Water Intrusion Test

Bubble point - određuje se pritisak pri kome se prvo uoči

kontinualni tok mehurova u toku kvašenja filtera. Na ovaj način se

utvrđuje da li su filteri ispravni.

Forward Flow Test sa prethodnim kvašenjem membrane sa izopropil alkoholom, vodom ili medijumom koji

se filtrira.

Water Intrusion Test, tj. Test utiskivanja vode je takođe nedestruktivna metoda za ispitivanje sterilnih

hidrofobnih filterskih membrana. U toku testa primenjuje se

pritisak od 2,5 bara za ubacivanje DI ili WFI u kudište gde se nalazi

ispitivana filter membrana. Pošto je membrana hidrofobna, voda

(DI ili WFI) nede prodi kroz membranu. Usled razlike pritisaka sa

ulazne i izlazne strane filtera, dolazi do gubitka mase vode sa

ulazne strane zbog isparavanja i lagane penetracije vode u pore

filtera kako je prikazano na slici.

Kao posledica gubitka vode, dolazi do pada pritiska koji se

prikazuje kao water intrusion value ili kao water flow value.

Šematski prikaz uređaja za Water Intrusion Test dat je na slici.

U toku izvođenja Water Intrusion Testa treba obratiti pažnju na

sledede parametre:

- kvalitet vode

- temperatura

Preporučuje se korišdenje demineralizovane vode i/ili vode za injekcije.


11

Temperature vode, vazduha i testirane svede treba da budu identične. U protivnom, usled razlike u temperaturi

dolazi do povedanog isparavanja i nerealno visokih vrednosti za water intrusion test.

Takođe, mora se dokazati da postoji korelacija između zadržavanja bakterija i water intrusion testa. U tom cilju se

vrši opteredivanje filtera sa određenom količinom mikroorganizama.

Documents

BAU2